鄧進(jìn)俊，鐘魯寧，孫 虎，傅小明，張 月，紀(jì)偉進(jìn)

（1.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作江蘇中心，蘇州 215000；2.江蘇省宿遷學(xué)院材料工程系，宿遷 223800）

0 前言

鑄件的結(jié)晶組織一般由合金的化學(xué)成分及鑄件凝固時(shí)的冷卻條件決定的，它對(duì)鑄件的各項(xiàng)性能，尤其是力學(xué)性能會(huì)有強(qiáng)烈的影響，因此生產(chǎn)中控制鑄件的性能通常是通過(guò)控制鑄件的凝固組織來(lái)實(shí)現(xiàn)的。結(jié)晶組織的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)鑄件的質(zhì)量和性能也有強(qiáng)烈的影響。一般來(lái)說(shuō)晶粒越小，鑄件的夾雜和缺陷越分散，致密性就越好，其綜合力學(xué)性能越好。因此，合理控制鑄造組織并改進(jìn)組織微觀結(jié)構(gòu)更有利于鑄件質(zhì)量性能的提高。

對(duì)于固態(tài)金屬來(lái)說(shuō)，常規(guī)熱處理不改變合金成分，而是通過(guò)控制固態(tài)相變改變組織狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)合金性能的提升。這種工藝方法經(jīng)濟(jì)實(shí)用、簡(jiǎn)便易操作，是常規(guī)金屬采用最廣泛的增強(qiáng)增韌的工藝方法。對(duì)于鑄造過(guò)程中的液態(tài)金屬，隨著凝固技術(shù)及簇理論的發(fā)展，高溫液體金屬的結(jié)構(gòu)對(duì)最終凝固結(jié)構(gòu)的影響引起了越來(lái)越多人的注意。熔體溫度處理[1-2]是通過(guò)改變?nèi)垠w的過(guò)熱溫度、高溫停留時(shí)間及快速冷卻速度等控制手段來(lái)控制熔體結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律，從而改善最終鑄造組織及提升鑄造合金性能的方法。該技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，效果較為明顯，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[3-5]。

1 熔體溫度處理的機(jī)理

在鑄造過(guò)程中液態(tài)金屬狀態(tài)起著重要的作用。眾所周知，液態(tài)金屬存在不均勻性，這些不均勻的局部區(qū)域可能會(huì)溶解或成長(zhǎng)為結(jié)晶的核心，這一特性可用于控制液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)，從而影響鑄件的力學(xué)性能[6-7]。對(duì)于液態(tài)金屬微觀狀態(tài)的控制一般可分為以下三種基本方法：溫度法（熔體過(guò)熱、保溫、變速冷卻等）、機(jī)械法（使用機(jī)械振動(dòng)[8]、電磁場(chǎng)[9]、攪拌[10]等）和化學(xué)法（加入熔劑，例如變質(zhì)劑[11]、晶粒細(xì)化劑[12]）。

在常規(guī)鑄造工藝中，熔體通常在高溫下澆注，該溫度比其熔點(diǎn)高約50~100 ℃。大多數(shù)液體的成核點(diǎn)在這個(gè)溫度下消失。溫度越高，液體的活性越低。因此，凝固組織中的樹(shù)枝狀晶粒通常較粗，這會(huì)損害鑄件的機(jī)械性能。通常來(lái)說(shuō)，鑄態(tài)組織細(xì)化是通過(guò)增加液態(tài)金屬中成核位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。臨界核直徑與熔體過(guò)冷度成反比，隨著過(guò)冷度的增加，自由能的降低將更加明顯。因此，由于臨界形核尺寸的減小以及提供更大的結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力，過(guò)冷度的增加將有利于形核。在熔體溫度處理期間，往往高溫熔體會(huì)因與低溫熔體混合或是采用某些冷卻手段使其急速冷卻，當(dāng)熔體冷卻至液相線時(shí)，其中存在許多原子團(tuán)簇和高熔點(diǎn)非均勻相（其結(jié)構(gòu)接近于固相），這些原子簇和異質(zhì)相在凝固過(guò)程中成為核心，使凝固的微觀結(jié)構(gòu)因此而變得更精細(xì)[13]。隨著熔體過(guò)熱溫度的進(jìn)一步升高，合金元素的熱擴(kuò)散將使合金元素的分布趨于均勻，這將明顯影響后續(xù)的凝固過(guò)程。

2 熔體溫度處理的方法

熔體溫度處理技術(shù)通常有以下三種方法：

（1）熔體過(guò)熱處理：熔體過(guò)熱處理是將熔體加熱到最佳熔煉溫度以上某一溫度，并保溫一段時(shí)間后快速冷卻成型，從而改變?nèi)垠w結(jié)構(gòu)，影響形核、生長(zhǎng)等過(guò)程，最終細(xì)化晶粒、提升材料綜合性能的一種處理方法。

（2）熔體熱速處理：熔體熱速處理是將熔體加熱到過(guò)熱溫度后，調(diào)整其冷卻速度至澆注溫度進(jìn)行澆注的一種鑄造工藝。相較于過(guò)熱處理，這種工藝更注重熔體冷卻速度，通常采用激冷的方法。

（3）熔體混合處理：熔體混合處理方法是將一爐已加熱到過(guò)熱溫度的合金爐料倒入另一爐正常降溫至熔化溫度的合金爐料，然后迅速攪拌直至降至澆注溫度進(jìn)行澆注。

3 熔體溫度處理對(duì)組織及性能影響

回顧近幾年來(lái)鋁合金熔體溫度處理技術(shù)在合金凝固組織及性能影響上的研究，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 熔體溫度處理對(duì)基體組織的影響

對(duì)于鑄造鋁合金來(lái)說(shuō)，其基體組織通常為α-Al相，未經(jīng)處理的原始組織應(yīng)為樹(shù)枝狀晶，這不利于鑄件的力學(xué)性能，故通常會(huì)加入Ti-B細(xì)化劑來(lái)改善α-Al相的組織形態(tài)。Ti-B細(xì)化劑在鋁合金液中形成TiAl3和TiB2，成為鋁合金α-Al相樹(shù)枝晶組織的有效異質(zhì)結(jié)晶核。但這種細(xì)化方法的細(xì)化效果有限，且會(huì)帶入合金元素，因此目前熔體溫度處理技術(shù)在改善基體組織形態(tài)方面也有一定的研究[14-15]。包曉東[16]通過(guò)對(duì)Al-6 Cu合金、Al-33 Cu合金熔體進(jìn)行熔體過(guò)熱處理試驗(yàn)，利用金相對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過(guò)熔體熱處理的合金凝固組織中晶粒尺寸比較粗大，晶粒的形貌很不規(guī)整，晶粒大小分布不均勻，α-Al相呈現(xiàn)層片狀分布。而經(jīng)過(guò)熔體過(guò)熱處理的合金晶粒尺寸明顯細(xì)化， 各種相組織分布比較均勻。孫鈺等[17]對(duì)ZL205A合金進(jìn)行了熔體過(guò)熱處理，發(fā)現(xiàn)熔體過(guò)熱處理明顯細(xì)化了ZL205A合金鑄態(tài)基體組織。熔體過(guò)熱溫度由750 ℃升高到900 ℃，砂型試樣晶粒尺寸由152.1 μm 減小至110.7 μm。同時(shí)對(duì)比了砂型鑄造與金屬型鑄造，發(fā)現(xiàn)熔體過(guò)熱處理對(duì)砂型鑄造試樣凝固組織的細(xì)化效果更為明顯。陳忠偉等[18]通過(guò)熔體過(guò)熱處理Al-7%Si-0.50%Mg合金，發(fā)現(xiàn)不經(jīng)過(guò)Sr變質(zhì)，僅通過(guò)熔體過(guò)熱處理的Al-7%Si-0.50%Mg合金，其α-Al相及共晶硅相均得到明顯細(xì)化。

3.2 熔體溫度處理對(duì)第二相的影響

對(duì)于鑄造鋁硅合金來(lái)說(shuō)，制約其力學(xué)性能的最大因素為粗大的初生硅和共晶硅相。這些粗大的第二相的存在，會(huì)割裂基體，誘發(fā)應(yīng)力集中。這不僅嚴(yán)重地降低了合金的力學(xué)性能，同時(shí)對(duì)合金的切割性能也有一定的影響，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了較多的關(guān)于熔體溫度處理對(duì)初生硅及共晶硅組織形態(tài)影響的研究。

李艷霞等[19]通過(guò)熔體過(guò)熱溫度處理Al-25%Si合金，發(fā)現(xiàn)過(guò)熱溫度增加至1 000 ℃，初生硅直徑減小至15 μm；而繼續(xù)提升過(guò)熱溫度不利于初生硅顆粒的細(xì)化，當(dāng)過(guò)熱溫度在 1 000 ℃以上時(shí)，初生硅直徑會(huì)再次粗化，同時(shí)增加冷卻速度有利于硅顆粒尺寸細(xì)化。李秋菊等[20]將熔體過(guò)熱處理與磷銅變質(zhì)結(jié)合綜合處理Al-20%Si合金，發(fā)現(xiàn)當(dāng)熔體處理溫度為1 000 ℃時(shí)，既細(xì)化了初晶硅又細(xì)化了共晶硅。初晶硅平均尺寸約為36 μm，減小了62%，且共晶硅為短纖維狀和點(diǎn)狀，并且熔體溫度升高會(huì)促進(jìn)Cu3P與Al的反應(yīng)，進(jìn)而增加鋁熔體中AlP的數(shù)量以細(xì)化初晶硅。梁超[21]將熔體混合處理與Sr變質(zhì)復(fù)合起來(lái)處理，研究了低溫熔體溫度對(duì)初晶硅細(xì)化效果的影響，發(fā)現(xiàn)液固溫度區(qū)間制備合適溫度的低溫熔體（640 ℃）可獲得最佳初晶硅細(xì)化效果，初晶硅晶粒尺寸可低至10.27 μm，且分布彌散。吳斐斐等[22]將熔體混合技術(shù)與半固態(tài)加熱技術(shù)結(jié)合起來(lái)處理Al-18%Si合金，發(fā)現(xiàn)不僅初生硅顆粒平均直徑得到細(xì)化，并且其形態(tài)由不規(guī)則的塊狀變成了近球狀。張先鋒等[23]對(duì)Al-18%Si合金進(jìn)行高低溫熔體混合處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熔體混合處理的低溫熔體處于半固態(tài)溫度區(qū)間內(nèi)某一溫度時(shí)，比處于液相線以上溫度的低溫熔體可獲得更佳的初生硅細(xì)化效果。此外，在高溫熔體與低溫熔體混合比例為0.5:1時(shí)，初生硅的細(xì)化效果最佳，其平均直徑可由傳統(tǒng)工藝下的33.7 μm以上細(xì)化到12 μm以下。

3.3 熔體溫度處理對(duì)合金性能的影響

采用熔體溫度處理技術(shù)能夠影響金屬凝固前的液體結(jié)構(gòu)。不同的液體結(jié)構(gòu)對(duì)金屬材料的組織、性能也有不同的影響[24]。因此通過(guò)運(yùn)用該處理技術(shù)，合金的力學(xué)性能、腐蝕性能、抗拉強(qiáng)度、磨損形貌等性能均能得到一定的提高。王慶磊等[25]研究了不同熔體溫度對(duì)Al-15Si-2.7Fe凝固合金性能的影響。研究表明，在930 ℃熔體熱速處理下，由于硅相和鐵相的細(xì)化，Al-15Si-2.7Fe合金的力學(xué)性能顯著提高。相比于普通工藝，該工藝使合金的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和硬度分別提高了12.7%、38.5%和10%，合金的磨損量和摩擦系數(shù)分別降低了7%~17%和24%~30%，合金的耐腐蝕性能最好，腐蝕電位最高，腐蝕電流密度也最低。不同熔體溫度熱速處理后合金的鑄造性能都有所提高。李秋菊等[26]研究了熔體溫度處理對(duì)變質(zhì)Al-20%Si合金組織和性能的影響。研究表明，經(jīng)變質(zhì)處理與熔體溫度處理后，布氏硬度值顯著増加，且硬度隨著初生硅尺寸的減小而増大，摩擦系數(shù)與磨損量減小。

4 結(jié)論

在過(guò)去的三十年中，人們已從各個(gè)方面對(duì)熔體溫度處理對(duì)合金凝固組織的影響進(jìn)行了廣泛研究，并且某些合金的組織和性能已通過(guò)這種方法得到了明顯的提升。通過(guò)使用熔體溫度處理技術(shù)，在不添加任何改性元素的前提下，鑄造鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能均可得到提升，這對(duì)于鑄造行業(yè)是非常有吸引力的。

從目前的研究結(jié)果上看，合金的凝固組織取決于過(guò)熱溫度以及凝固過(guò)程中的冷卻速度，但晶粒組織細(xì)化的機(jī)制、熔體溫度對(duì)初生相與共晶組織的影響是否一致等問(wèn)題仍未探明，有待于進(jìn)一步的研究與探討。